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Experimento de alcance láser lunar de la misión Apolo 11

El rango de láser lunar (LLR) es la práctica de medir la distancia entre las superficies de la Tierra y la Luna usando el rango de láser . La distancia se puede calcular a partir del tiempo de ida y vuelta de los pulsos de luz láser que viajan a la velocidad de la luz , que son reflejados de regreso a la Tierra por la superficie de la Luna o por uno de los cinco retrorreflectores instalados en la Luna durante el programa Apolo ( 11 , 14). y 15 ) y misiones Lunokhod . [1]

Aunque es posible reflejar la luz o las ondas de radio directamente desde la superficie de la Luna (un proceso conocido como EME ), se puede realizar una medición mucho más precisa utilizando retrorreflectores en ubicaciones conocidas.

Las mediciones de rango láser también se pueden realizar con retrorreflectores instalados en satélites en órbita lunar . [2]

Historia [ editar ]

Apolo 15 LRRR
Esquema del Apolo 15 LRRR

Las primeras pruebas de alcance lunar exitosas se llevaron a cabo en 1962 cuando un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts logró observar pulsos de láser reflejados desde la superficie de la Luna utilizando un láser con una longitud de pulso de milisegundos. [3] Mediciones similares se obtuvieron más tarde el mismo año por un equipo soviético en el Observatorio Astrofísico de Crimea usando un Q-switched láser de rubí . [4]

Poco después, el estudiante graduado de la Universidad de Princeton , James Faller, propuso colocar reflectores ópticos en la Luna para mejorar la precisión de las mediciones. [5] Esto se logró tras la instalación de un conjunto de retrorreflectores el 21 de julio de 1969 por la tripulación del Apolo 11 . Las misiones Apolo 14 y Apolo 15 dejaron dos matrices de retrorreflectores más . Las mediciones exitosas del alcance del láser lunar a los retrorreflectores fueron reportadas por primera vez el 1 de agosto de 1969 por el telescopio de 3,1 m en el Observatorio Lick . [5] Observaciones de los Laboratorios de Investigación de Cambridge de la Fuerza AéreaPronto le siguieron el Observatorio de Rango Lunar en Arizona, el Observatorio Pic du Midi en Francia, el Observatorio Astronómico de Tokio y el Observatorio McDonald en Texas.

Los rovers soviéticos no tripulados Lunokhod 1 y Lunokhod 2 llevaban matrices más pequeñas. Las señales reflejadas se recibieron inicialmente de Lunokhod 1 , pero no se detectaron señales de retorno después de 1971 hasta que un equipo de la Universidad de California, redescubrió la matriz en abril de 2010 el uso de imágenes de la NASA 's Orbitador de Reconocimiento Lunar . [6] La matriz de Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. [7] Las matrices Lunokhod sufren de un rendimiento reducido a la luz solar directa, un factor que se considera en la ubicación del reflector durante las misiones Apolo. [8]

La matriz del Apolo 15 es tres veces el tamaño de las matrices dejadas por las dos misiones Apolo anteriores. Su tamaño lo convirtió en el objetivo de las tres cuartas partes de las medidas de muestra tomadas en los primeros 25 años del experimento. Las mejoras en la tecnología desde entonces han dado como resultado un mayor uso de los arreglos más pequeños, por sitios como el Observatorio Côte d'Azur en Niza , Francia; y la Operación de alcance láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO) en el Observatorio Apache Point en Nuevo México .

En la década de 2010 se planificaron varios retrorreflectores nuevos . El reflector MoonLIGHT , que iba a ser colocado por el módulo de aterrizaje privado MX-1E , fue diseñado para aumentar la precisión de la medición hasta 100 veces más que los sistemas existentes. [9] [10] [11] El lanzamiento del MX-1E estaba programado para julio de 2020, [12] sin embargo, a partir de febrero de 2020, el lanzamiento del MX-1E ha sido cancelado. [13]

Principio [ editar ]

La distancia a la Luna se calcula aproximadamente usando la ecuación: distancia = (velocidad de la luz × duración del retraso debido a la reflexión) / 2

Para calcular la distancia lunar con precisión, se deben considerar muchos factores además del tiempo de ida y vuelta de aproximadamente 2,5 segundos. Estos factores incluyen la ubicación de la Luna en el cielo, el movimiento relativo de la Tierra y la Luna, la rotación de la Tierra, la libración lunar , el movimiento polar , el clima , la velocidad de la luz en varias partes del aire, el retraso de propagación a través de la atmósfera de la Tierra , la ubicación de la estación de observación y su movimiento debido al movimiento de la corteza y las mareas , y efectos relativistas . [14]La distancia cambia continuamente por varias razones, pero tiene un promedio de 385.000,6 km (239.228,3 millas) entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna. [15]

En la superficie de la Luna, el rayo tiene aproximadamente 6.5 kilómetros (4.0 millas) de ancho [16] [i] y los científicos comparan la tarea de apuntar el rayo con el uso de un rifle para golpear una moneda de diez centavos en movimiento a 3 kilómetros (1.9 millas) de distancia. La luz reflejada es demasiado débil para verla con el ojo humano. De los 10 21  fotones dirigidos al reflector, solo uno se recibe en la Tierra, incluso en buenas condiciones. [17] Pueden identificarse como originarios del láser porque el láser es muy monocromático .

La distancia a la Luna ahora se puede medir con precisión milimétrica. [18] Esta es una de las medidas de distancia más precisas jamás realizadas, y es equivalente en precisión a determinar la distancia entre Los Ángeles y Nueva York dentro del ancho de un cabello humano.

Lista de retrorreflectores [ editar ]

Artículo principal: Lista de retrorreflectores en la Luna

Resultados [ editar ]

Los datos de medición del alcance del láser lunar están disponibles en el Centro de Análisis Lunar del Observatorio de París, [19] y las estaciones activas. Algunos de los hallazgos de este experimento a largo plazo son:

Propiedades de la Luna [ editar ]

  • La distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica. [18]
  • La Luna se aleja de la Tierra en espiral a una velocidad de 3,8 cm / año . [16] Esta tasa se ha descrito como anormalmente alta. [20]
  • La Luna probablemente tiene un núcleo líquido de aproximadamente el 20% del radio de la Luna. [7] El radio del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como381 ± 12 km . [21]
  • El aplanamiento polar del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como(2,2 ± 0,6) × 10 −4 . [21]
  • La nutación del núcleo libre de la Luna se determina como367 ± 100 años . [21]

Física gravitacional [ editar ]

  • La teoría de la gravedad de Einstein (la teoría general de la relatividad ) predice la órbita de la Luna dentro de la precisión de las mediciones de rango del láser. [7]
  • La libertad de calibre juega un papel importante en una interpretación física correcta de los efectos relativistas en el sistema Tierra-Luna observados con la técnica LLR. [22]
  • La probabilidad de cualquier efecto Nordtvedt (una aceleración diferencial hipotética de la Luna y la Tierra hacia el Sol causada por sus diferentes grados de compacidad) ha sido descartada con alta precisión, [23] [24] [25] apoyando fuertemente el principio de equivalencia fuerte .
  • La fuerza de gravedad universal es muy estable. Los experimentos han restringido el cambio en la constante gravitacional G de Newton a un factor de(2 ± 7) × 10 −13 por año. [26]

Galería de fotos [ editar ]

  • Reflector retro de alcance lunar del Apolo 14 (LRRR)

  • Tiempos de retorno de pulsos de fotones de colaboración APOLLO

  • Instalación de rango láser en la estación fundamental de Wettzell , Baviera , Alemania

  • Alcance láser en Goddard Space Flight Center

Ver también [ editar ]

  • Operación de alcance láser lunar del Observatorio Apache Point
  • Paquete de experimentos de la superficie lunar del Apolo
  • Tom Murphy (físico) (investigador principal del experimento reflector de Apolo)
  • Carroll Alley (investigador principal anterior del experimento reflector de Apolo)
  • Comunicación Tierra-Luna-Tierra
  • Lidar
  • Distancia lunar (astronomía)
  • Programa Lunokhod
  • Alcance láser satelital
  • Geodesia espacial
  • Evidencia de terceros para los aterrizajes del Apolo en la Luna
  • Lista de retrorreflectores en la Luna
  • Lista de objetos artificiales en la Luna

Referencias [ editar ]

  1. ^ Durante el tiempo de ida y vuelta, un observador de la Tierra se habrá movido alrededor1 km (dependiendo de su latitud). Esto se ha presentado, incorrectamente, como una "refutación" del experimento de determinación de distancia, con la afirmación de que el rayo dirigido a un reflector tan pequeño no puede alcanzar un objetivo en movimiento. Sin embargo, el tamaño del rayo es mucho mayor que cualquier movimiento, especialmente para el rayo devuelto.
  1. ↑ Chapront, J .; Chapront-Touzé, M .; Francou, G. (1999). "Determinación de los parámetros de rotación y orbital lunar y de la orientación del sistema de referencia de la eclíptica a partir de mediciones de LLR y datos de IERS". Astronomía y Astrofísica . 343 : 624–633. Bibcode : 1999A & A ... 343..624C .
  2. ^ Mazarico, Erwan; Sun, Xiaoli; Torre, Jean-Marie; Courde, Clément; Chabé, Julien; Aimar, Mourad; Mariey, Hervé; Maurice, Nicolas; Barker, Michael K .; Mao, Dandan; Cremons, Daniel R. (6 de agosto de 2020). "Primer láser bidireccional que va a un orbitador lunar: observaciones infrarrojas desde la estación de Grasse a la matriz de catadióptricos de LRO" . Tierra, planetas y espacio . 72 (1): 113. doi : 10.1186 / s40623-020-01243-w . ISSN 1880-5981 . 
  3. ^ Smullin, Louis D .; Fiocco, Giorgio (1962). "Ecos ópticos de la luna". Naturaleza . 194 (4835): 1267. Código Bibliográfico : 1962Natur.194.1267S . doi : 10.1038 / 1941267a0 .
  4. ^ Bender, PL; et al. (1973). "El experimento de alcance del láser lunar: los rangos precisos han proporcionado una gran mejora en la órbita lunar y nueva información selenofísica" (PDF) . Ciencia . 182 (4109): 229–238. Código Bibliográfico : 1973Sci ... 182..229B . doi : 10.1126 / science.182.4109.229 . PMID 17749298 .  
  5. ↑ a b Newman, Michael E. (26 de septiembre de 2017). "A la luna y de regreso ... en 2,5 segundos" . NIST . Consultado el 27 de enero de 2021 .
  6. ^ McDonald, K. (26 de abril de 2010). "Físicos de UC San Diego localizan reflector soviético perdido hace mucho tiempo en la luna" . Universidad de California, San Diego . Consultado el 27 de abril de 2010 .
  7. ↑ a b c Williams, James G .; Dickey, Jean O. (2002). Geofísica, geodesia y dinámica lunar (PDF) . XIII Taller Internacional de Alcance Láser. 7 a 11 de octubre de 2002. Washington, DC
  8. ^ "No son sólo los astronautas los que están envejeciendo" . Universe Today . 10 de marzo de 2010 . Consultado el 24 de agosto de 2012 .
  9. ^ Currie, Douglas; Dell'Agnello, Simone; Delle Monache, Giovanni (abril-mayo de 2011). "Una matriz de retrorreflectores de alcance láser lunar para el siglo XXI". Acta Astronautica . 68 (7–8): 667–680. Código bibliográfico : 2011AcAau..68..667C . doi : 10.1016 / j.actaastro.2010.09.001 .
  10. ^ Tune, Lee (10 de junio de 2015). "UMD, Italia y MoonEx se unen para poner nuevas matrices reflectantes de láser en la luna" . UMD ahora mismo . Universidad de Maryland.
  11. ^ Boyle, Alan (12 de julio de 2017). "Moon Express da a conocer su hoja de ruta para saltos gigantes a la superficie lunar ... y viceversa" . GeekWire . Consultado el 15 de marzo de 2018 .
  12. ^ Moon Express Lunar Scout (MX-1E) , RocketLaunch.Live , consultado el 27 de julio de 2019
  13. ^ "MX-1E 1, 2, 3" . Consultado el 24 de mayo de 2020 .
  14. ^ Seeber, Günter (2003). Geodesia por satélite (2ª ed.). de Gruyter. pag. 439 . ISBN 978-3-11-017549-3. OCLC  52258226 .
  15. ^ Murphy, TW (2013). "Alcance láser lunar: el desafío milimétrico" (PDF) . Informes sobre avances en física . 76 (7): 2. arXiv : 1309.6294 . Código Bibliográfico : 2013RPPh ... 76g6901M . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 76/7/076901 . PMID 23764926 .  
  16. ↑ a b Espenek, F. (agosto de 1994). "NASA - Precisión de las predicciones de eclipses" . NASA / GSFC . Consultado el 4 de mayo de 2008 .
  17. ^ Merkowitz, Stephen M. (2 de noviembre de 2010). "Pruebas de gravedad con rango de láser lunar" . Reseñas vivientes en relatividad . 13 (1): 7. doi : 10.12942 / lrr-2010-7 . ISSN 1433-8351 . PMC 5253913 . PMID 28163616 .   
  18. ^ a b Battat, JBR; Murphy, TW; Adelberger, EG; et al. (Enero de 2009). "Operación de rango láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO): dos años de mediciones de precisión milimétrica del rango Tierra-Luna1" . Publicaciones de la Sociedad Astronómica del Pacífico . 121 (875): 29–40. Código Bibliográfico : 2009PASP..121 ... 29B . doi : 10.1086 / 596748 . JSTOR 10.1086 / 596748 . 
  19. ^ "Observaciones de rango de láser lunar desde 1969 hasta mayo de 2013" . Observatorio SYRTE de París . Consultado el 3 de junio de 2014 .
  20. ^ Facturas, BG; Ray, RD (1999). "Evolución de la órbita lunar: una síntesis de resultados recientes" . Cartas de investigación geofísica . 26 (19): 3045–3048. Código Bibliográfico : 1999GeoRL..26.3045B . doi : 10.1029 / 1999GL008348 .
  21. ↑ a b c Viswanathan, V .; Rambaux, N .; Fienga, A .; Laskar, J .; Gastineau, M. (9 de julio de 2019). "Restricción de observación en el radio y oblato del límite del manto del núcleo lunar". Cartas de investigación geofísica . 46 (13): 7295–7303. arXiv : 1903.07205 . doi : 10.1029 / 2019GL082677 .
  22. ^ Kopeikin, S .; Xie, Y. (2010). "Marcos de referencia celestes y la libertad de calibre en la mecánica post-Newtoniana del sistema Tierra-Luna". Mecánica celeste y astronomía dinámica . 108 (3): 245–263. Código bibliográfico : 2010CeMDA.108..245K . doi : 10.1007 / s10569-010-9303-5 .
  23. ^ Adelberger, EG; Heckel, BR; Smith, G .; Su, Y .; Swanson, HE (1990). "Experimentos de Eötvös, rango lunar y el principio de equivalencia fuerte". Naturaleza . 347 (6290): 261–263. Código Bibliográfico : 1990Natur.347..261A . doi : 10.1038 / 347261a0 .
  24. ^ Williams, JG; Newhall, XX; Dickey, JO (1996). "Parámetros de relatividad determinados a partir del alcance del láser lunar". Physical Review D . 53 (12): 6730–6739. Código Bibliográfico : 1996PhRvD..53.6730W . doi : 10.1103 / PhysRevD.53.6730 . PMID 10019959 . 
  25. ^ Viswanathan, V; Fienga, A; Minazzoli, O; Bernus, L; Laskar, J; Gastineau, M (mayo de 2018). "Las nuevas efemérides lunares INPOP17a y su aplicación a la física fundamental". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 476 (2): 1877–1888. arXiv : 1710.09167 . doi : 10.1093 / mnras / sty096 .
  26. ^ Müller, J .; Biskupek, L. (2007). "Variaciones de la constante gravitacional de datos de rango láser lunar". Gravedad clásica y cuántica . 24 (17): 4533. doi : 10.1088 / 0264-9381 / 24/17/017 .

Enlaces externos [ editar ]

  • "Teoría y modelo para la nueva generación de datos de alcance del láser lunar" por Sergei Kopeikin
  • Experimentos del Apolo 15 - Retrorreflector de rango láser del Instituto Lunar y Planetario
  • "History of Laser Ranging and MLRS" por la Universidad de Texas en Austin , Centro de Investigación Espacial
  • "Retrorreflectores lunares" de Tom Murphy
  • Station de Télémétrie Laser-Lune en Grasse, Francia
  • Alcance láser lunar del Servicio internacional de alcance láser
  • "Un investigador de la Universidad de Washington planea un proyecto para precisar la distancia entre la Luna y la Tierra" por Vince Stricherz, UW Today , 14 de enero de 2002
  • "What Neil & Buzz Left on the Moon" por Science @ NASA, 20 de julio de 2004
  • "El experimento del Apolo 11 aún arroja resultados" por Robin Lloyd, CNN , 21 de julio de 1999
  • "Disparando láseres en la luna: Hal Walker y el retrorreflector lunar" por el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian, YouTube, 20 de agosto de 2019